以工程素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)的理論力學(xué)教學(xué)實踐與探索

【摘 要】結(jié)合理論力學(xué)課程的特點和學(xué)生對理論力學(xué)認識和學(xué)習(xí)的情況，把工程實踐作為理論力學(xué)課堂教學(xué)的出發(fā)點和目標(biāo)，并對這種與工程實踐相結(jié)合的教學(xué)方法進行了有益的探索。

【關(guān)鍵詞】理論力學(xué)；力學(xué)模型；工程教育；實踐教學(xué)

中圖分類號： O31-4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0146-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.064

The Practice and Exploration of Theoretical Mechanics Teaching with the Aim of Cultivating Engineering Quality

ZHANG Dong-xiao

（LuoYang Institute of Science and Technology，Luoyang Henan 471023， China）

【Abstract】According to the characteristics of theoretical mechanics course and students understanding and learning of theoretical mechanics， engineering practice is regarded as the starting and target of course teaching， and this teaching methods combined with engineering practice is also explored.

【Key words】Theoretical mechanics； Mechanical model； Engineering education； Practice learning

0 前言

理論力學(xué)是許多工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課，具有鮮明的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，是工科學(xué)生由理論開始走向工程實踐的橋梁，在工程教育中具有重要的地位。但同時理論力學(xué)理論性較強，它從少量最基本的規(guī)律出發(fā)，運用邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹的方法，得到了從不同方面揭示機械運動規(guī)律的定理、定律和公式，建立了完整而嚴(yán)密的理論體系[1]。這正是理論力學(xué)課程的顯著特點，但對缺少工程概念的學(xué)生而言，普遍認為理論力學(xué)抽象難懂，心生畏懼，并且錯誤地認為理論力學(xué)僅僅是“理論意義”上，“高高在上”的力學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對理論力學(xué)的學(xué)習(xí)普遍缺乏信心。如何才能改變學(xué)生對理論力學(xué)的誤解？怎樣調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性和自覺性，增強學(xué)習(xí)的信心？怎樣培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力？我們積極思考，改進思路，把工程實踐作為理論力學(xué)課堂教學(xué)的出發(fā)點和目標(biāo)，并對這種與工程實踐相結(jié)合的教學(xué)方法進行了有益的探索。

1 理論力學(xué)的工程教育

1.1 理論力學(xué)知識的背景教育

理論力學(xué)課程中有大量的概念，如果只是照本宣科，學(xué)生可能一知半解，印象不深，同時還會加深學(xué)生對理論力學(xué)不接地氣的感受。因此，教師在備課時，應(yīng)以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，搜集力學(xué)史料、工程案例作為補充。例如，開始學(xué)習(xí)理論力學(xué)時，“機械運動”、“力”、“力矩”這些概念在物理學(xué)中都接觸過了，但這些概念不可能自然形成，它們是怎么來的？在長期的生產(chǎn)和生活實踐中，前人為了取水，發(fā)明了可以轉(zhuǎn)動的轆轤；為了搬運重物，使用了杠桿、斜面和滑輪；為了利用風(fēng)力和水力，制造了風(fēng)車和水車等。制造和使用這些生產(chǎn)工具，人類初步認識了機械運動，積累了大量的經(jīng)驗，經(jīng)過分析。綜合和歸納，逐漸形成了“力”、“力矩”等概念，已及“二力平衡”、“力的平行四邊形法則”、“作用力和反作用力定律”等力學(xué)的基本規(guī)律。通過介紹力學(xué)知識的背景，加深學(xué)生對這些內(nèi)容的理解和把握。用鉆木取火介紹摩擦力；如果沒有摩擦力，世界將是什么樣子？用嶗山道士的故事，啟發(fā)學(xué)生是否自己也可以穿墻而過，會有什么后果？在輕松的氣氛中，學(xué)生體會作用力和反作用力，以及約束力的概念。通過這樣的教學(xué)方式，使學(xué)生切實體會到這些概念真真切切地存在于我們身邊。

1.2 理論力學(xué)中的工程教育

理論力學(xué)是一個完整、嚴(yán)密、科學(xué)的理論體系。理論力學(xué)和工程應(yīng)用、工程設(shè)計與分析有著緊密的聯(lián)系。因此，課堂教學(xué)必須和和具體工程實踐相結(jié)合，這對培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)十分有利[2]。

理論力學(xué)來源于實踐，也必然要應(yīng)用于實踐，服務(wù)于工程。但實際教學(xué)情況則是，剛剛步入大學(xué)的學(xué)生對于工程實際認知較為缺乏，因此在這一環(huán)節(jié)應(yīng)有意識地補充和加強。在教學(xué)伊始，應(yīng)該讓學(xué)生對眾多工程實例有初步的認識與了解，進而從工程實際出發(fā)提出問題和假定，進行力學(xué)模型的抽象[3]。力學(xué)模型均有清晰的工程背景，但工程中的客觀問題都是復(fù)雜的，具體的，為找出其共同規(guī)律，必須抓住主要因素，舍棄次要因素，建立抽象化的力學(xué)模型。在講授每個知識點前，我們采用大量實例，鼓勵學(xué)生大膽假定，簡化力學(xué)模型。例如，將接觸面積遠小于物體幾何尺寸的作用簡化為集中力；將桁架結(jié)構(gòu)中的桿件簡化為二力桿；根據(jù)不同物體間機械運動的相互制約，建立理想約束的模型。這種抽象化、理想化的方法，一方面簡化了所研究的問題，另一方面也更加深刻地反映事物的本質(zhì)。但是，抽象化的模型都是相對的，當(dāng)條件改變時，必須考慮影響事物的新的因素，建立新的模型，比如，對于太空中飛行的衛(wèi)星，若研究其空間運動軌跡，可將其視為一質(zhì)點；若研究衛(wèi)星的飛行姿態(tài)，須將其視為剛體；而若研究其強度和剛度，則將其看成變形體；由此可見，同樣的一顆衛(wèi)星，由于研究的側(cè)重點不同，建立的力學(xué)模型也不同。通過對實際工程力學(xué)模型的抽象，培養(yǎng)了學(xué)生簡化解決問題的能力，增加了學(xué)習(xí)的信心和熱情。

通過理論力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該具備從具體問題抽象出力學(xué)模型，再從力學(xué)模型解決實際問題的能力。為此，在例題設(shè)計時，首先給出實例，建立力學(xué)模型，對求解的結(jié)果進行討論，并指出理論模型在工程實踐中的意義。在每次習(xí)題課中設(shè)計一個簡單的實際問題讓學(xué)生分析，例如，我們在課堂上進行橋梁的力學(xué)建模討論，從由兩個橋墩，一個橋板組成的最簡單的橋開始，分析橋板和橋墩的連接，分別建立了兩端固定端支座，兩端固定鉸支座，一端鉸支座和一端可動鉸支座三種力學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生討論三種力學(xué)模型的可行性。很多同學(xué)基于對單孔小橋的認識，傾向于前兩種力學(xué)模型。我通過一個混凝土路面在酷熱的夏天拱起的事件啟發(fā)大家，使學(xué)生們認識到橋梁的力學(xué)模型不僅要滿足使用功能要求，還要滿足使用環(huán)境要求；之后又討論了多孔橋的力學(xué)模型；課后要求學(xué)生上交桁架橋，懸索橋和斜拉橋的力學(xué)模型。通過力學(xué)建模的教育，學(xué)生們掌握了簡支梁，外伸梁、多跨連續(xù)梁的力學(xué)模型，理解了桁架橋、懸索橋和斜拉橋結(jié)構(gòu)中荷載的傳遞方式。這種與工程實踐相結(jié)合的授課方式，像講故事一樣，輕松有趣，學(xué)生們不僅掌握了基礎(chǔ)理論知識，同時對理論知識的工程背景和力學(xué)模型有了一定的認識，對培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)非常有益[4]。

1.3 理論力學(xué)中的實踐教學(xué)

對于學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，實踐環(huán)節(jié)不僅應(yīng)該起到鞏固知識的作用，還應(yīng)該起到培育創(chuàng)新能力的作用。但目前的理論力學(xué)教育通常以課程考試作為結(jié)束，僅僅督促學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識，起不到培養(yǎng)創(chuàng)新能力的作用。因此，我們將理論力學(xué)的學(xué)習(xí)與工程實際相結(jié)合，在理論力學(xué)中加入課程設(shè)計環(huán)節(jié)、大作業(yè)、實驗設(shè)計等實踐性環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生利用現(xiàn)有的理論力學(xué)知識，發(fā)揮主觀能動性，在運用中嘗試創(chuàng)新。比如，測量多種材料之間的靜動摩擦因數(shù)，分析溫度、濕度和表面光潔度對動摩擦因數(shù)的影響；用復(fù)擺、三線擺裝置測量物體的轉(zhuǎn)動慣量，分析三線擺擺長和扭轉(zhuǎn)角對轉(zhuǎn)動慣量量測精度的影響；轉(zhuǎn)動剛體動反力測試，測量轉(zhuǎn)動剛體的靜反力和動反力。高水平實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，不僅培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力，更要為重要的是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

2 結(jié)論

結(jié)合工程實踐的理論教學(xué)是改變目前理論力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀的必然選擇，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)是理論力學(xué)教學(xué)的出發(fā)點和主要目標(biāo)，對大學(xué)生分析解決工程問題能力的培養(yǎng)，邏輯思維能力和認識水平的提升都是非常有益的。但這是一項長期、艱苦的工作，還需要在實踐中不斷探索，在理論上不斷完善。

【參考文獻】

[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)（第七版）. 高等教育出版社，2009.

[2]胡海巖.對力學(xué)教育的若干思考[J].力學(xué)與實踐，2009，1：70-72.

[3]湯可可，王華寧.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的理論力學(xué)教學(xué)體系探索[J].力學(xué)與實踐，2017，39：68-70.

[4]張東曉.與實踐相結(jié)合的材料力學(xué)教學(xué)方法探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010，15：93-94.